广工往届卧式半自动组合机床液压系统设计说明书.doc

机电液压综合设计卧式半自动组合机床液压系统及其有关装置设计学 院 机电工程学院_ 专 业 机械设计制造及其自动化_ 年级班别 2009级（）班_学 号 369_ 学生姓名 _指导教师 _ 2001年月日广东工业大学课程设计任务书题目名称卧式半自动组合机床液压系统及其有关装置设计学生学院机电工程学院专业班级09机电姓 名学 号369一、课程设计的内容综合应用已学的课程，完成卧式半自动组合机床的液压系统的原理设计、液压系统的设计计算、液压系统元部件的选择、液压基本回路的实验验证、液压集成油路的设计、液压集成块的设计等。二、课程设计的要求与数据1机床系统应实现的自动工作循环(手工上料) (手动启动) 工件定位(插销)夹紧工件动力头(工作台)快进慢速工进快退停止工件拔销松开工件（手工卸料）。要求工进完了动力头无速度前冲现象。工件的定位、夹紧应保证安全可靠，加工过程中及遇意外断电时工件不应松脱，工件夹紧压力、速度应可调，工件加工过程中夹紧压力稳定。2工件最大夹紧力为Fj；工件插销定位只要求到位，负载力小可不予计算。3动力头快进、快退速度v1；工进速度为v2可调，加工过程中速度稳定；快进行程为L1，工进行程为L2；工件定位、夹紧行程为L3，夹紧时间t=1s。4运动部件总重力为G，最大切削进给力（轴向）为Ft；5动力头能在任意位置停止，其加速或减速时间为t；工作台采用水平放置的平导轨，静摩擦系数为fs，动摩擦系数为fd。 设计参数表序号Fj(N)Ft(N)G(N)v1(m/min)v2(mm/min)L1(mm)L2(mm)L3(mm)t(s)fsfd900045000700052055015050350.200.200.1三、课程设计应完成的工作(一) 液压系统设计根据设备的用途、特点和要求，利用液压传动的基本原理进行工况分析，拟定合理、完善的液压系统原理图，需要写出详细的系统工作原理，给出电磁铁动作顺序表。再经过必要的计算确定液压有关参数，然后按照所得参数选择液压元件、介质、相关设备的规格型号（或进行结构设计）、对系统有关参数进行验算等。（二）系统基本回路的实验验证 以小组为单位设计实验验证回路，经老师确认后，由该组成员共同去液压实验室在实验台上进行实验验证。该部分说明书的撰写格式可参考液压课程实验报告，实验过程要拍一定数量的照片。（三）液压装置结构设计由指导老师选出其中一个小组成员的设计方案和数据，由该组成员共同完成该方案液压系统的集成块组的结构设计，尽量做到每个小组成员负责其中的一个集成块的设计。集成块之间必须考虑到相互之间的连通关系，是一个完整的液压系统的集成块。（四）绘制工程图、编写设计说明书1. 绘制液压系统原理图 包括系统总油路图（A3，参见图1-3）和集成块液压集成回路图（A4, 参见图3-4)。2. 集成块的零件图（A3或更大，参见图3-8）。须按GB要求打印或用铅笔绘制。3. 编写设计说明书（2万字左右），排版、结构等须规范。四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容地点起止日期1分析工况和动作要求，完成系统方案设计和设计计算，元部件选择。宿舍12.0211.102完成指定方案的实验验证；完成指定方案的液压系统集成油路的设计和集成块机构设计的分配，开始进行集成块的结构设计宿舍12.1112.173完成集成块的设计和设计说明书的撰写。宿舍12.1812.244答 辩工2-72912.26五、应收集的资料及主要参考文献1 李笑，吴冉泉.液压与气压传动M.北京：国防工业出版社,2006年03月2 杨培元，朱福元.液压系统设计简明手册M.北京：机械工业出版社,20033 雷天觉等. 液压工程手册M.北京：机械工业出版社，19904 博世力士乐公司.博世力士乐工业液压产品样本M. 5 任建勋，韩尚勇，申华楠等.液压传动计算与系统设计M.北京:机械工业出版社,19826 周士昌主编. 机械设计手册5 第43篇液压传动与控制M. 北京：机械工业出版社，20007 章宏甲，周邦俊. 金属切削机床液压传动M.南京:江苏科学技术出版社，1985发出任务书日期：2011年12月2日指导教师签名：预计完成日期：2011年12月26日专业负责人签章：主管院长签章：目录课程设计说明书I目录III1、液压系统工况分析12、拟定液压系统原理图33、确定液压系统主要参数44、计算和选择液压元件65、液压系统的验算106、液压集成块结构与设计147、液压系统实验验证168、总结179、参考文献18III1、液压系统工况分析根据已知条件，绘制运动部件的速度循环图，如图1-1所示。然后计算各阶段的外负载并绘制负载图。液压缸所受外负载F包括三种类型，既 （1-1）式中 工作负载，既切削力，在本例中为45000BN；运动部件速度变化时的惯性负载；导轨摩擦阻力负载，启动时为静摩擦力，启动后为动摩擦力，对于平导轨可由下式求得 （1-2）垂直于导轨的工作负载，本例中为零。则求得静摩擦阻力=0.27000N=1400N动摩擦阻力=0.17000N=700N惯性负载 （1-3） N根据上述计算结果，列出各工作阶段所受的外负载（见表1-1），并画出如图1-2所示的负载循环图。 图1-1 速度循环图 图1-2 负载循环图表1-1 工作循环各阶段的外负载工况负载组成液压缸负载/N液压缸推力 /N启动14001556加速10571174快进700778工进4570050778反向启动14001556加速10571174快退700778*注：取液压缸的机械效率=0.92、拟定液压系统原理图1）确定供油方式考虑到该机床在工作进给时低速重载；在快进、快退时高速轻载。从节省能量、减少发热考虑，泵源系统选用带压力反馈的限压式变量叶片泵。2）选择调速方式本例中选用限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速，这种调速回路具有效率高、发热小和速度刚性好的特点。并且调速阀安装在回油路上，具有承受负切削力的能力。3）选择速度换接方式本例中采用电磁阀的快慢速换接回路，元件结构简单，便于安装。4）选择夹紧回路和插销回路夹紧回路中，采用O型二位四通电磁阀来控制夹紧、松开换向动作。插销回路中，采用M型二位四通电磁阀来控制插销、拔销换向动作，同时保证液压泵卸荷，不会因为液压泵开启式瞬时动作。考虑到夹紧时间可调节和当进油压力瞬时下降时仍能保持夹紧力，所以接入节流阀调速和单向阀保压。在夹紧回路和插销回路中，还装有减压阀，用来调节夹紧力的大小、保持夹紧力和保持定位状态的稳定。5）初拟液压系统工作原理图如下图2-1所示。图2-1 液压系统工作原理图3、确定液压系统主要参数1）初选液压缸压力所设计的动力工作台在工进时负载最大，为45700N，初选液压缸的工作压力p1=5MPa。工进时为了防止负载消失，工作台前冲，液压缸的回油腔应有背压。本例中所设计为组合机床液压系统，故选背压p2=0.5MPa。2）计算液压缸主要尺寸工作台在快进和快退时速度相等，选择单活塞杆式差动液压缸，快进时液压缸差动连接。A1=2A2，d/D=0.71。 （2-1） （2-2）由式（1-1）、（1-2）得 m2=10710-4m2 m=117mm则d=0.71D=0.71117mm82.9mm按照活塞杆直径系列，圆整为D=125mm，d=90mm液压缸两端的实际有效面积m2=12310-4m2m2=5910-4m23）确定夹紧缸的主要尺寸由已知可得，夹紧力Fj=9000N，初设夹紧缸机械效率cm=0.9，工作压力p1=2.5MPa，背压p2=0。由式（2-1）、（2-2）计算可得D=71mm按照活塞杆直径系列，圆整为D=80mm，d=0.71D=56mm。184）液压缸在各阶段的压力、流量和功率值表3-1 液压缸在各阶段的压力、流量和功率值工况推力F0/N回油腔压力p2/MPa进油腔压力p1/MPa输入流量q10-3/m3/s输入功率P/KW计算公式快进启动1556-0.24-加速1174p1+p0.70-恒速778p1+p0.580.530.31工进457000.54.370.110.055快退启动1556-0.37-加速11740.51.32-恒速7780.51.170.490.59*注：1、p为液压缸差动连接时，回油口到进油口之间的压力损失，取p=0.5MPa； 2、快退时，液压缸有杆腔进油压力位p1，无杆腔回油压力为p2。4、计算和选择液压元件1）确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格考虑到正常工作中进给油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为 （4-1）式中 液压泵最大工作压力； 执行元件最大工作压力； 进油管路中的压力损失，本例取0.5MPa。=（4.37+0.5）MPa=4.87MPa另外考虑到一定的压力贮备量，并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力pn应满足。本例中MPa=6.33MPa液压泵的最大流量应为 （4-2）式中 系统泄露系数，一般取=1.11.3，本例中取=1.1。L/min=35L/min根据以上算得的和，再查阅相关手册，现预选YBX-25限压变量叶片泵，额定压力=6.3MPa，每转排量=25L/r。电动机转速=1450r/min，则YBX-25型液压泵理论流量L/min故符合要求。取容积效率，则实际流量L/min=29L/min由表3-1可知，在工作台快退时，液压系统功率最大，取总效率KW根据以上算得的和预选的，查阅相关手册，选取Y90S-4电动机，额定功率为1.1KW，额定转速为1500r/min。2）确定其他元件及辅件 根据系统的最高工作压力和通过各类元件及辅件的实际流量，查阅产品样本，选出的阀类和辅件规格如表4-1所列。表4-1 液压元件规格及型号序号元件名称通过的最大流量q/（L/min）规格型号额定流量qn/(L/min)额定压降Pn/MPa1滤油器35XU-C40100400.062液压泵35YBX-2536.3-3压力表开关-KF3-E3B-4三位四通换向阀31.84WE6E6X/SG24N9K4600.35单向调速阀29.42FRM10-3X/50L1600.96二位三通换向阀31.83WE6A6X/SG24N9K4600.37压力继电器-HED2OA2X/63-0.48减压阀29.4DR6DP3-5X/75YM600.59压力表开关-KF3-E3B-10单向阀29.4S6A14500.311三位四通换向阀29.44WE6E6X/SG24N9K4600.212单向节流阀29.4MK6G1X4000.613压力继电器-HED2OA2X/63-0.414单向阀29.4S6A14500.315三位四通换向阀29.44WE6G6X/SG24N9K4600.316单向节流阀29.4MK6G1X4000.617压力继电器-HED2OA2X/63-0.418压力继电器-HED2OA2X/63-0.4 在选定了液压泵之后，液压缸在实际快进、工进和快退运动阶段的运动速度、时间以及进入和流出液压缸的流量，与原定数值不同，重新计算的结果如表4-2所列。表4-2 各工况实际运动速度、时间和流量快进工进快退=(L/min) =55.7 L/min=6.6L/min =29L/min (L/min) =26.7L/min (L/min) =3.2L/min (L/min) =60L/min (m/min) =4.5m/min (m/min) =0.54m/min (m/min) =4.9m/mins =2ss=5.6ss =2.4s由表4-2可以看出，液压缸在各阶段的实际运动符合设计要求。根据表4-2数值，选取管道内允许速度v=4m/s，油管内径 （4-3）由式（4-3）计算可得，与液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为mmmm统一选取内径d为20mm，外径为D28mm的10号冷拔钢管。油箱容量 （4-4）式中 为经验系数，本例中=6。得油箱容量L选取型号为BEX-250的油箱，容量为250L。5、液压系统的验算1）验算系统压力损失由于系统管路布置尚未确定，只能估算系统压力损失。现取进、回油管道长l=2m，油液的运动粘度取v=110-4m2/s，油液的密度取=920kg/m3。在快进、工进和快退三种工况下，进、回油管路中所通过的流量以快退时回油流量q2=60L/min为最大，此时，油液流动的雷诺数也为最大。因为最大的雷诺数小于临界雷诺数（2000），则各工况下的进、回油路中的油液的流动状态全为层流。 将层流流动状态沿程阻力系数 （5-1）和油液在管道内流速 （5-2）同时代入沿程压力损失计算公式 （5-3）将已知数据代入后，得可知，沿程压力损失的大小与流量成正比，这是由层流流动所决定的。在管道结构尚未确定的情况下，管道的局部压力损失常按下式作经验验算，既 （5-4）各工况下的阀类元件的压力损失 （5-5）式中 由产品样本查出； 、数值由表4-1和表4-2列出。a）快进工作台快进时，液压缸通过换向阀差动连接。在进油路上，油液通过三位四通换向阀4，然后与液压缸有杆腔的回油汇合进入无杆腔。在进油路上，压力损失分别为MPa=0.051MPaMPa=0.0051MPaMPa=0.0842MPaMPa=0.1403MPa在回油路上，压力损失分别为 MPa=0.0244MPaMPa=0.0024MPaMPa=0.1684MPaMPa=0.1952MPa将回油路上的压力损失折算到进油路上去，便得出差动快速运动时的总的压力损失MPa=0.2339MPa b）工进工作台工进时，在进油路上，油液通过三位四通换向阀4进入液压缸无杆腔。在回油路上，油液通过二位三通换向阀6、节流调速阀5和三位四通换向阀4返回油箱。若忽略管路的沿程压力损失和局部压力损失，则在进油路上总的压力损失为MPa=0.0036MPa此值远小于估计值。在回油路上总的压力损失为MPa=0.9017MPa该值即为液压阀的回油缸压力=0.9017MPa，此值略大于与初算时所选取的背压值，但无需重新计算。按表4-2的公式重新计算液压缸的工作压力为MPa=4.56MPa此值略高于表3-1的数值。考虑到压力继电器的可靠动作要求压差MPa，则液压泵的工作压力为MPa=5MPac）快退工作台快退时，在进油路上，油液通过三位四通换向阀4、单向调速阀5和二位三通换向阀6进入液压缸有杆腔。在回油路上，油液通过三位四通换向阀4返回油箱。在进油路上总的压力损失为MPa=0.5851MPa此值略高于估算值，但液压泵的驱动电动机的功率远大于所计算功率，因此无需重新计算。在回油路上总的压力损失为MPa=0.3MPa此值与表3-1的数值基本符合，故不必重新计算。 2）验算系统发热与升温由于工进在整个工作循环中占56%97%，所以系统的发热与升温可按工进 工况来计算。当cm/min时m3/min=0.2L/min此时泵的效率为0.1，泵的出口压力为4.96MPa，则有W=160WW=1.5W此时的功率损失为W=158.5W当cm/min时，L/min，总效率，则W=780WW=420WW=360W可见在工进速度较高时，功率损失为360W，发热量最大。假定系统的散热状况一般，取W/（cm2C），则系统的升温为C=9.3C 验算表明系统的升温在许可范围内。6、液压集成块结构与设计1）液压集成回路设计 压回路划分为若干单元回路，每个单元回路一般由三个液压元件组成，采用通用的压力油路P和T，这样的单元回路称液压单元集成回路。设计液压单元集成回路时，优先选用通用液压单元集成回路，以减少集成块设计工作量，提高通用性。 液压单元集成回路连接起来，组成液压集成回路，如图 6-1 即卧式半自动组合机床液压系统集成回路。一个完整的液压集成回路由底版、供油回路、压力控制回路、方向回路、 调速回路、 顶盖及测压回路等单元液压集成回路组成。液压集成回路设计完成后，要和液压回路进行比较， 分析工作原理是否相同，否则说明液压集成回路了差错。2）集成块设计 图 6-2 是卧式半自动组合机床液压系统集成块的一块， 集成块上布置了三个液压元件，采用GE系列液压阀。在系统中，此块回路的作用是压力调节， 所以称为压力块。 其余的集成块设计方法类似。 若液压单元集成回路中液压元件较多或者不好安排时， 可以采用过渡板把阀与集成块连接起来。 如集成块某侧面要国定两个液压元件有困难， 如果采用过渡板会使问题比较容易解决。使用过渡板的时不能与上 图6-1 组合机床液压系统集成回路下集成块上的元件相碰，避免影响集成块的安装。集成块的设计步骤 a）制做液压元件样板。 b）通道的孔径。集成块上的公用通道，即压力油孔P和回油孔T，泄漏孔L及四个安装孔。压力油孔由液压泵的流量决定，回油孔一般不小于压力油孔。直接于液压元件连接的液压油孔由选定的液压元件规格确定。孔与孔之间的连接孔用螺塞在集成块表面堵死。c）块上液压元件的布置。把制做好的液压元件样板放在集成块各视图上进行布局，有的液压元件需要连接板，则样板应以连接板为准。图6-2 组合机床液压系统集成块（液压块）7、液压系统实验验证1）实验目的运用实验室的实验器材，进行模拟实验，验证本设计中的某一基本回路功能（本实验中验证速度换接回路和快速回路）。 2）实验设备液压实验装置（包括实验台架、油源装置、液压元件、油缸组件、马达组件、负重机构、液压辅件等部分）、电气装置、数字显示仪表。3）验证方案验证原理图如图3-3所示，由于器材的限制，电磁阀5堵住1个口，当三通的用。4）实验结果，如表3-2表7-1 实验现象序号工作位液压缸运行状况三位四通二位三通1左右快进2左左工进3右左快退 图7-1 验证原理图 5）实验照片图7-2 实验台前与幕后验证8、总结通过此次的液压系统设计，我认识到自己在专业知识上，还存在很多盲点和漏洞，理论知识联系实际应用还有很大的差距。此次液压系统设计，由给定的设计参数，设计液压系统原理图，计算设计液压系统，选择液压系统元件，验证液压系统和液压集成块绘图。原理图的设计，是对课本上已有的各种液压回路按照设计要求进行组合和优化，需要对各种回路和液压元件有深刻的理解。液压系统的设计计算，需要对之前的一些设定的数据不断地验算、校核。这是一个非常复杂的过程，不仅对于液压理论基础知识有较高的要求，对于自身搜集、检索资料的能力也有相当大的考验比如液压阀类元件的型号选择和参数计算。通过这个设计，我不仅较为系统的认识、学习到如何设计一个简单液压系统的过程。更重要的是让我认识到，自身在理论联系实际方面，液压知识掌握情况方面，搜集、检索资料能力方面，都需要再进一步的加强。9、参考文献1 杨培文，朱福员编著. 液压系统设计简明手册. 北京：机械工业出版社，1999.12 2 李笑编著. 液压与气压传动. 北京：国防工业出版社，2006.3 3 王昆,何小柏,汪信远.机械设计课程设计.北京：高等教育出版,1996 （2005 重印）